¿Qué es la forja? Definición, proceso y tipos

Este artículo profundizará en todo lo que necesita saber sobreforjar, incluido qué es, cómo se hace y cómo se compara un producto forjado con productos fabricados mediante otros métodos, incluidas fundiciones, soldaduras y fabricaciones, barras/placas mecanizadas, piezas de metal en polvo y plásticos/compuestos reforzados.

Primero, definiremos qué es la forja.

¿Qué es la forja?

La forja es un proceso de fabricación en el que se moldea el metal sólido mediante fuerzas de compresión localizadas al martillar o presionar.

La forja de acero a menudo se clasifica según la temperatura a la que se realiza: forja en frío, forja en caliente y forja en caliente. Es importante tener en cuenta que forjar no es lo mismo que fundir, ya que el metal que se va a forjar nunca se funde ni se vierte.

¿Por qué utilizar piezas forjadas?

Las forjas sonfuerte . A medida que se le da forma al metal durante el proceso de forjado, su estructura de grano interno se deforma para seguir la forma general de la pieza. Al comprimir la estructura del grano y crear un flujo de grano, se aumentan las características de resistencia de la pieza.

Las piezas forjadas se utilizan en lugares donde la confiabilidad y la seguridad son críticas. Las piezas forjadas suelen ser piezas que se utilizan en el interior de máquinas, automóviles, aviones, tractores, barcos, equipos de perforación petrolera, motores y misiles, por nombrar algunos.

¿A qué temperatura se fabrican las forjas?

Los procesos de forja generalmente se clasifican según si la temperatura del metal está por encima o por debajo de la temperatura de recristalización de la microestructura del metal. La forja de acero se puede dividir en:

Forja en caliente de acero

• Temperaturas de forjado por encima de la temperatura de recristalización entre 1742 y 2300 °F

• Buena formabilidad

• Fuerzas de conformado bajas

• Resistencia a la tracción constante de las piezas de trabajo.

Forjado en caliente de acero.

• Temperaturas de forjado entre 1200 y 1742 °F

• Menos o ningún sarro en la superficie de la pieza de trabajo.

• Se pueden alcanzar tolerancias más estrechas que con la forja en caliente

• Formabilidad limitada y fuerzas de conformado más altas que para la forja en caliente.

• Fuerzas de conformado menores que en el conformado en frío

Forja en frío de acero.

• Temperaturas de forjado en condiciones ambientales, autocalentamiento hasta 300 °F debido a la energía de formado.

• Tolerancias más estrechas posibles

• Sin incrustaciones en la superficie de la pieza de trabajo

• Aumento de la resistencia y disminución de la ductilidad debido al endurecimiento por deformación.

• Se necesitan baja conformabilidad y altas fuerzas de conformado.

Aquí en Edgerton Forge, forjamos acero en caliente.

¿Cómo se forja?

Básicamente, existen tres métodos (o procesos) para fabricar una pieza forjada: forjado con matriz por impresión, forjado con matriz abierta y forjado con anillo laminado sin costura.

Aquí en Edgerton Forge, utilizamosForja con troquel de impresión.

La forja con troquel de impresión golpea o fuerza el metal entre dos troqueles (llamados herramientas) que tienen una forma específica (cavidad) cortada en ellos.

El metal fluye bajo fuerza hacia la cavidad para crear la forma específica de la pieza. Este proceso puede crear piezas que van desde formas simples hasta formas no simétricas muy complejas.

La forja por impresión se puede realizar con una variedad de máquinas que incluyen prensas hidráulicas, prensas mecánicas, martillos y recalcadores. Usamos recalcadores y prensas mecánicas en Edgerton Forge.

¿Cómo se comparan las piezas forjadas con las piezas fundidas?

Las forjadas son más fuertes. La fundición no puede obtener los efectos fortalecedores del trabajo en frío y en caliente. La forja supera a la fundición en propiedades de resistencia predecibles, lo que produce una resistencia superior garantizada, pieza por pieza.

La forja refina los defectos de los lingotes fundidos o de las barras de fundición continua. Una pieza fundida no tiene flujo de grano ni resistencia direccional y el proceso no puede evitar la formación de ciertos defectos metalúrgicos. El material de forja previo al trabajo produce un flujo de grano orientado en direcciones que requieren máxima resistencia. Las estructuras dendríticas, las segregaciones de aleaciones e imperfecciones similares se refinan en la forja.

Las piezas forjadas son más fiables y menos costosas. Los defectos de fundición ocurren en una variedad de formas. Debido a que el trabajo en caliente refina el patrón de grano e imparte propiedades de alta resistencia, ductilidad y resistencia, los productos forjados son más confiables. Y se fabrican sin los costos adicionales de los controles e inspecciones de proceso más estrictos que se requieren para la fundición.

Las forjadas ofrecen una mejor respuesta al tratamiento térmico. Las piezas fundidas requieren un control estricto de los procesos de fusión y enfriamiento porque puede ocurrir segregación de aleaciones. Esto da como resultado una respuesta de tratamiento térmico no uniforme que puede afectar la rectitud de las piezas terminadas. Las piezas forjadas responden de manera más predecible al tratamiento térmico y ofrecen una mejor estabilidad dimensional.

Las piezas forjadas son una producción flexible y rentable que se adapta a la demanda. Algunas piezas fundidas, como las de rendimiento especial, requieren materiales y controles de proceso costosos, así como plazos de entrega más prolongados. El laminado abierto y el laminado de anillos son ejemplos de procesos de forjado que se adaptan a diversas longitudes de producción y permiten acortar los plazos de entrega.

¿Cómo se comparan las piezas forjadas con las piezas soldadas y las fabricaciones?

Las piezas forjadas ofrecen economías de producción y ahorro de materiales. Las fabricaciones soldadas son más costosas en tiradas de producción de gran volumen. De hecho, las piezas fabricadas son una fuente tradicional de conversiones de forja a medida que aumenta el volumen de producción. Los costos iniciales de herramientas para la forja pueden ser absorbidos por el volumen de producción y el ahorro de material, y la economía de producción intrínseca de la forja reduce los costos de mano de obra, reduce los desechos y retrabajos y reduce los costos de inspección.

Las forjadas son más fuertes. Las estructuras soldadas no suelen estar libres de porosidad. Cualquier beneficio de resistencia obtenido al soldar o sujetar productos laminados estándar puede perderse debido a una mala práctica de soldadura o unión. La orientación del grano lograda en la forja hace que las piezas sean más fuertes.

Las piezas forjadas ofrecen diseños/inspecciones rentables. Un conjunto soldado de múltiples componentes no puede igualar los ahorros de costos obtenidos con una pieza forjada de una sola pieza diseñada adecuadamente. Estas consolidaciones de piezas pueden dar lugar a considerables ahorros de costes. Además, las piezas soldadas requieren procedimientos de inspección costosos, especialmente para componentes sometidos a grandes esfuerzos. Las forjadas no.

Las piezas forjadas ofrecen propiedades metalúrgicas mejores y más consistentes. El calentamiento selectivo y el enfriamiento no uniforme que se producen en la soldadura pueden producir propiedades metalúrgicas indeseables como una estructura de grano inconsistente. En uso, una costura soldada puede actuar como una muesca metalúrgica que puede provocar fallas en la pieza. Las piezas forjadas no tienen huecos internos que provoquen fallas inesperadas bajo tensión o impacto.

Las piezas forjadas ofrecen una producción simplificada. La soldadura y la fijación mecánica requieren una selección cuidadosa de los materiales de unión, los tipos y tamaños de fijación, y un seguimiento estrecho de las prácticas de apriete, lo que aumenta los costos de producción. La forja simplifica la producción y garantiza una mejor calidad y consistencia pieza tras pieza.

¿Cómo se comparan las piezas forjadas con las barras/placas mecanizadas?

Las piezas forjadas ofrecen una gama más amplia de tamaños de grados de materiales deseados. Los tamaños y formas de los productos fabricados con barras y placas de acero están limitados a las dimensiones en las que se suministran estos materiales. A menudo, la forja puede ser el único proceso de trabajo de metales disponible con ciertos grados en los tamaños deseados. Las piezas forjadas se pueden producir económicamente en una amplia gama de tamaños, desde piezas cuya dimensión más grande sea inferior a 1 pulgada hasta piezas que pesen más de 450.000 libras.

Las piezas forjadas tienen grano orientado a la forma para mayor resistencia. Las barras y placas mecanizadas pueden ser más susceptibles a la fatiga y la corrosión por tensión porque el mecanizado corta los patrones de grano del material. En la mayoría de los casos, la forja produce una estructura de grano orientada a la forma de la pieza, lo que da como resultado una resistencia, ductilidad y resistencia óptimas al impacto y la fatiga.

Las piezas forjadas permiten un uso mejor y más económico de los materiales. El corte por llama de placas es un proceso derrochador, uno de varios pasos de fabricación que consume más material del necesario para fabricar piezas como anillos o cubos. En el mecanizado posterior se pierde aún más.

Las piezas forjadas producen menos chatarra; una producción mayor y más rentable. Las piezas forjadas, especialmente las formas casi netas, aprovechan mejor el material y generan pocos desechos. En producciones de gran volumen, las piezas forjadas tienen una ventaja decisiva en términos de costes.

Las forjadas requieren menos operaciones secundarias. Tal como se suministran, algunos grados de barra y placa requieren operaciones adicionales como torneado, esmerilado y pulido para eliminar irregularidades de la superficie y lograr el acabado, la precisión dimensional, la capacidad de mecanizado y la resistencia deseados. A menudo, las piezas forjadas pueden ponerse en servicio sin costosas operaciones secundarias.

¿Cómo se comparan las piezas forjadas con las piezas de metal en polvo (P/M)?

Las forjadas son más fuertes. Las propiedades mecánicas estándar bajas (por ejemplo, resistencia a la tracción) son típicas de las piezas P/M. El flujo de grano de una pieza forjada garantiza resistencia en puntos críticos de tensión.

Las forjas ofrecen una mayor integridad. Se requiere una costosa modificación o infiltración de la densidad parcial para evitar defectos de P/M. Ambos procesos añaden costos. El refinamiento del grano de las piezas forjadas asegura la solidez del metal y la ausencia de defectos.

Las forjadas requieren menos operaciones secundarias. Las formas, roscas y orificios especiales de P/M y las tolerancias de precisión pueden requerir un mecanizado extenso. Las operaciones de forjado secundario a menudo se pueden reducir a mecanizado de acabado, perforación de orificios y otros pasos simples. La solidez inherente de las piezas forjadas conduce a acabados superficiales mecanizados excelentes y consistentes.

Las piezas forjadas ofrecen una mayor flexibilidad de diseño. Las formas P/M se limitan a aquellas que pueden expulsarse en la dirección de prensado. La forja permite diseños de piezas que no se limitan a formas en esta dirección.

Las forjas utilizan materiales menos costosos.Los materiales de partida para piezas P/M de alta calidad suelen ser polvos atomizados con agua, prealeados y recocidos que cuestan significativamente más por libra que las barras de acero.

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